Galvaanielement

Allikas: Vikipeedia
Batteries comparison 4,5 D C AA AAA AAAA A23 9V CR2032 LR44 matchstick-vertical.jpeg

Galvaanielement ehk element on Luigi Galvani järgi nime saanud elektrivoolu allikas, kus toimub isevooluline keemiline reaktsioon ja sellest vabanev energia kasutatakse elektri saamiseks.

Esimese galvaanielemendi ehitas 1799. aastal Luigi Galvani katsetest lähtuvalt Alessandro Volta.

Galvaanielement on ühekordse kasutusega, erinevalt akust ei saa seda uuesti laadida.

Galvaanielement koosneb negatiivsest elektroodist (korpus) tavaliselt (tsink) ja positiivsest elektroodist (vask, grafiit või metallioksiid), mis on sukeldatud vedelasse või pastataolisesse (kuivelementidel) massi.

Galvaanielemendis tekib elektrivool vooluringi ühendamisel positiivsel elektroodil redutseerumis- ja negatiivsel oksüdeerumisreaktsiooni tulemusel. Elemendi elektromotoorjõud sõltub elektroodide materjalist ja elektrolüüdi koostisest ning voolutugevuse piirväärtus elektroodide kujust ja keemiliste reaktsioonide kiirusest.

Galvaanielementide elektromotoorjõud võib olla sõltuvalt kasutatavatest ainetest 0,5–2,5 V.

Galvaanielementidest moodustatakse ka patareisid. Tavakasutuses on selline poes müüdav 4,5 ja 9.0 V lapik patarei, mis on ainsad tavakasutuses olevatest, mida on õige patareiks nimetada.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

1780. aastal tegi Luigi Galvani katse, mille käigus ta ühendas omavahel kaks metalli (vase ja tsingi). Seejärel ühendas ta metallid kahest kohast konna jalal oleva närviga. [1] Tulemuseks tõmbus konna jalg kokku. Sellest katsest lähtuvalt ehitas 1799. aastal Alessandro Volta esimese teadaoleva galvaanielemendi. [2]

Galvaanielemendid jaotatakse keemilisteks ja kontsentratsioonilisteks.

Keemilised galvaanielemendid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keemilised galvaanielemendid muudavad keemiliste reaktsioonide tagajärjel eralduva energia vahetult elektrienergiaks Oma ehituselt võib neid olla erinevaid.

Elektroodid on samas lahuses[muuda | redigeeri lähteteksti]

See on lihtsaim elektrokeemiline rakk, kus kaks elektroodi on sukeldatud samasse lahusesse, näiteks vesinikelektrood ja elavhõbe/elavhõbekloriidelektrood soolhappe lahuses:

Pt(s)| H2(g) | HCl (aq) | Hg2Cl2(s) | Ag(s)

Poolläbilaskva membraaniga elmendid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Enamikul juhtudel on anoodiruum ja katoodiruum täidetud erinevate lahustega, mida ühendab poolläbilaskev membraan, et lahused omavahel ei seguneks, kuid laseb läbi ioone. Antud juhul tekib kahe vedeliku piirpinnal potentsiaalihüpe kuna erinevate lahuste ioonide liikumiskiirused on erinevad. [3]

Zn(s) | ZnSO4(aq) : CuSO4 | Cu(s)

kus : tähistab potentsiaalihüppega lahustevahelist piirpinda.

Elektrolüütilise sillaga elemendid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Anoodiruum ja katoodiruum asuvad eraldi anumates, mis on omavahel ühendatud elektrolüütilise sillaga. See on vajalik, et vältida potentsiaalihüpet. Sild on täidetud kas küllastunud KCl või KNO3 lahusega. Kõikide nende ioonide (K+, Cl-, NO3-) liikuvused on peaaegu et võrdsed, seega on küllastunud KCl või KNO3 ja mingi elektrolüüdi lahuse piirpinnal esinev potentsiaalihüpe niivõrd väike, et võib arvestamata jätta.

Zn(s) | ZnSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu(s)

|| tähistab potentsiaalihüppeta lahustevahelist piirpinda.

Kontsentratsioonielemendid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kontsentratsioonielement on galvaanielement, mis teeb tööd kontsentratsioonigradiendi arvelt. Galvaanielemendis võivad olla nii erineva kontsentratsiooniga lahused kui ka elektroodid. Elemendid võivad töötada pöörduvalt kas anioonide või katioonide suhtes.

Amalgaamelektroodidega kontsentratsioonielement[muuda | redigeeri lähteteksti]

Galvaanielement koosneb kahest amalgaamelektroodist, mille kaaliumi kontsentratsioon on erinev. Kuna ühel pool on kaaliumi aktiivsus suurem, hakkab seal kaalium lahusesse minema. Kuna kaalium ioonid viivad positiivseid laenguid kaasa, siis saab see elektrood, kus kaalium hakkas lahusesse minema, negatiivse laengu.

Kuna kontsentratsioonielemendis toimuv protsess on isevooluline, siis peab selle elemendi potentsiaal olema positiivne.

Katioonide suhtes pöörduvalt töötav element[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektroodiruumis (oletame, et paremal pool), kus vesinik ioonide kontsentratsioon on suurem kui teises anumas, on nad kontsentratsioonigradiendi tõttu sunnitud minema elektroodile, eraldub vesinik, elektrood saab positiivse laengu. Elektrivälja suund on paremalt vasakule. Kontsentratsioonigradiendi tõttu toimub difusioon paremalt vasakule (et kontsentratsioonid ühtlustuks), vasak pool saab positiivse laengu. Elektrivälja suund on siin vasakult paremale. Kui on olukord, kus tekkinud elektriväljad on vastupidise suunaga, siis difusioonipotentsiaal vähendab elektrilist potentsiaali ning summaarne rakupotentsiaal antud juhul on elektrilise ja difusioonipotentsiaali vahe.[3] Kui tekkinud elektriväljad on samasuunalised, siis elektriline ja difusioonipotentsiaal liituvad.

Anioonide suhtes pöörduvalt töötav element[muuda | redigeeri lähteteksti]

Sarnane katioonide suhtes pöörduvalt töötavale elemendile. Asendame vesinikelektroodi kloriidelektroodiga. Kloriidioonid hakkavad liikuma elektroodile ja paremal anumas olev elektrood saab negatiivse laengu. Elektrivälja suund on vasakult paremale. Kontsentratsioonigradiendi tõttu toimud difusioon vasakult paremale, membraani vasak pool saab seega negatiivse laengu. Elektrivälja suund on paremalt vasakule. Summaarne rakupotentsiaal on elektrokeemilise ja difusioonipotentsiaali vahe. Erinevus katioonide suhtes pöörduvalt töötavale elemendile on lihtsalt see, et parem ja vasak pool vahetavad märki.

Elektrolüütsillaga kontsentratsioonielement[muuda | redigeeri lähteteksti]

See galvaanielement erineb katioonide ja anioonide suhtes pöörduvalt töötavatest elementidest selle poolest, et tema summaarne rakupotentsiaal võrdub ainult raku elektrilise potentsiaaliga. Elekrolüütiline sild kõrvaldab difusioonipotentsiaali. Sild on täidetud kas küllastunud KCl või KNO3 lahusega. Kõikide nende ioonide (K+, Cl-, NO3-) liikuvused on peaaegu et võrdsed, seega on küllastunud KCl või KNO3 ja mingi elektrolüüdi lahuse piirpinnal esinev potentsiaalihüpe niivõrd väike, et võib arvestamata jätta.

Ülekandeta kontsentratsioonielemendid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Difusioonipotentsiaali on võimalik elimineerida ka nii, kui ühendame omavahel kaks sama koostisega (nt. HCl lahus) kuid erinevate kontsentratsioonidega lahust. Elektroodideks olgu vesinikelektrood, mis töötab pöörduvalt vesinikiooni suhtes ja hõbe/hõbekloriidelektrood, mis töötab pöörduvalt kloriidiooni suhtes. Ülekandeta kontsentratsioonielemendi potentsiaal on kaks korda suurem kui samade lahustega ja elektrolüütsillaga elemendi potentsiaal. [3]


Kuivelemendid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tänapäeval on galvaanielementidest kasutusel põhiliselt kuivelemendid, milles elektrolüüt (keemiline ühend, mis juhib elektrit, lagunedes ise selle toimel) on pasta kujul. [4] Kuivelementide hulka kuuluvad näiteks Danielli-Jacobi, Grené, Volta ja Leclanché element.

Leclanche’i element[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tähtsaim kuivelement on Leclanche’i element. Tema tsinkkesta sees on NH4Cl pasta. Kesta sisemuse keskel asub söepulk, mida ümbritseb MnO2 kiht. Pealt on element hermeetiliselt suletud (näiteks pigiga). Kui selle elemendi tsinkkest hakkab oksüdeeruma, juhitakse tsingil tekkiv elektronide liig voolutarbija kaudu söepulgale ja sealt MnO2-le, mis seetõttu hakkab redutseeruma. Protsessi summaarse võrrandi võib üles tähendada järgmiselt:

Zn + 2MnO2 + 2 NH4Cl → [Zn(NH3)2]Cl2 + 2Mn(O)OH

Protsess kestab kuni suurem osa tsinkkestast on lahustunud ja pasta hakkab läbisöövitatud kesta aukudest välja valguma. See näitab, et element on oma aja ära elanud ja pole võimeline enam vooluallikana eksisteerima, mistõttu muutub ta kasutamiskõlbmatuks. Leclanche’i elemendi tööpinge on 1,5V ning tema mahutavus ja tööiga on väikesed. [4] Kuna sellel elemendil on suur sisetakistus, ei saa temalt tugevat voolu. Leclanche’i ja teisi galvaanielemente kasutatakse väikese võimsusega elektritarbijate jaoks, nagu taskulambid, elektrilised kellad, taskuarvutid, pleierid jne. [4]

Danielli-Jacobi element[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tsink elektrood on ZnSO4 lahuses ja vaskelektrood on CuSO4 lahuses. Lahused on eraldatud poorse vaheseinaga, elektroodid on omavahel elektriliselt ühendatud. Vaskioonid eralduvad lahusest plaadile ning viimane omandab positiivse laengu, tsinkplaadilt eralduvad ioonid lahusesse, mistõttu elektrood omandab negatiivse laengu. Tsink ja vask elektroodide vahele tekib elektrivool, kusjuures tsink on negatiivseks elektroodiks (anood) ja vask on positiivseks elektroodiks (katood).

Reaktsioonid: Katoodil: Cu2++2e→Cu (redutseerumine); anoodil: Zn→Zn2++2e (oksüdeerumine). See element on pöörduv.

Keemiline korrosioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektrokeemiline korrosioon ehk galvaaniline korrosioon on seotud galvaanielemendi tekkega metalli pinnale. Korrosioon toimub, kui kaks erinevat metalli on omavahel ühendatud ja asetatud elektrolüüdi lahusesse (nt. soola lahus). Teine võimalus galvaanielemendi tekkeks on kui metall puutub kokku kahe erineva kontsenratsiooniga elektrolüüdi lahusega. Sellest tulenev elektrokeemiline potentsiaal põhjustab elektrivoolu, mis omakorda elektrokeemiliselt lahustab vähem püsivama metalli.

Galvaaniline kokkusobivus

Saamaks teada, kas kaks erinevat metalli omavahel kokku sobivad, tuleb arvestada nende anood indekseid. See on parameeter, mis näitab elektrokeemilise voolu suurust mõõdetava metalli ja kulla vahel. [5]Normaalsetes oludes ei tohiks omavahel ühenduses olevate metallide anood indeksid erineda teineteisest üle 0,25V. [5]Kontrollitud oludes, kus temperatuur ja niiskus on teada, võivad anood indeksid erineda kuni 0,5V. [5]Ekstreemsetes tingimustes (nt. välitingimused), ei tohi erinevus olla üle 0,15V. [5]Pannes kokku kaks väga erineva anood indeksiga metalli elektrolüüdi lahusesse, hakkab aktiivsem metall elektrokeemiliselt lahustuma. Anood indeksid on saadaval tabelina.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Keithley, Joseph F. (1999). Daniell Cell. John Wiley and Sons
  2. Milestones:Volta's Electrical Battery Invention, 1799
  3. 3,0 3,1 3,2 P. Atkins, Physical Chemistry, Oxford, Oxford University Press, 1994
  4. 4,0 4,1 4,2 Timotheus, H. 1999. Praktiline keemia. Riia: Avita.
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 Wheeler, Gerson J., The design of electronic equipment: a manual for production and manufacturing, Prentice-Hall, 1972